PCB中信号完整性相关问题

随着第五代移动网络的普及和信号传输频率的提高，PCB中信号完整性相关问题已受到越来越多的关注。而在印制电路设计中，背钻stub对高频信号有很大影响。文章基于仿真软件H FSS建立了不同背钻深度的模型，得到了不同stub值对应的插入损耗。通过制作测试板验证了仿真结果，即stub长度增加会使信号完整性变差。

前言

随着第五代移动网络的普及和信号传输频率的提高，PCB中信号完整性相关问题已受到越来越多的关注。在PCB设计中，通孔是连接各层线路的桥梁 ，然而实际应用中并不是所有层都需要互连，如果常规通孔不加以处理，信号会在多余的铜柱上进行传输，这些铜柱通常被称为stub。在高频信号下，stub会对信号造成很大影响。

目前，业内主要通过背钻来解决这一问题。背钻是指在通孔完成后进行二次钻孔，将多余stub去除的工艺。由于加工设备精度以及板厚公差等因素的限制，目前的背钻技术只能尽量减小stub长度，并不能完全达到消除stub的效果。Stub的存在会造成阻抗不连续，从而产生反射、谐振 等，随着频率的升高，带来的影响越大 。

ANSOFT HFSS是目前比较常用的高频三维结构电磁仿真工具，通过建模仿真可以得到S参数进行信号传输、反射特性的分析。根据仿真结果可以对模型进行改良从而优化设计 。

文章基于Ansoft公司的仿真软件HFSS 建立了PCB差分过孔的模型，设置不同stub长度得到了对应的插入损耗。制作测试板验并通过矢量网络分析仪进行信号测试，对比仿真结果验证了stub长度增加会使信号完整性变差。

1 实验

1.1

实验材料与仪器

实验材料：生益M4芯板（core）及半固化片（PP）

实验仪器：安捷伦矢量网络分析仪（Agilent Network Analyzer-E5071C），爱斯达自动取样机，奥林巴斯金相显微镜，schmoll钻机，Ansoft HFSS仿真软件，Si9000 QuickSolver。

1.2

背钻结构仿真

1.2.1 模型建立

在HFSS软件中建立如图1所示的24层电路板结构，信号层为第三层，信号线为带状差分线。

 

 

 

 

图1 仿真结构示意图

1.2.2 仿真参数设置

设置扫频范围为0到20 GHz，并如图2设置8组stub，分别为信号层L3到L4、L6、L9、L12、L15、L18、L21、L24对应长度为142、403、783、1378、1788、2376、2756、3126 μm。

 

 

 

 

图2 仿真参数设置

1.3

测试板制作

1.3.1 实验设计

由于需要测试不同背钻深度的信号差别，所以叠构采用24层的设计，板厚控制在（3.30±0.33）mm，具体叠构如图3所示。

 

 

 

 

图3 叠构示意图

信号层：L3，参考层：L2/L4。信号孔孔径：0.25 mm；7个接地孔为通孔，孔径：0.25 mm；

传输线设计为图4所示的带状差分线，，差分阻抗100 Ω。线宽：97 μm，线距：284 μm。设计8对长短差分线，线长：（254/50.8）mm，分别钻穿L4、L6、L9、L12、L15、L18、L21，剩余一组不做背钻处理，并标记编号为（1）到（8）。

 

 

 

 

图4 信号线示意图

1.3.2 制作流程

内层图形转移→AOI→压合→钻孔→电镀→图形电镀→镀锡→背钻→碱蚀→AOI防焊→化镍金→成型

1.3.3 样品的制备为了准确获取stub长度，需要制备背钻孔截面切片以便观察。将样品从测试板上取下，先后用180#，400#，2400#，4000#金相水砂纸打磨，再用抛光液处理。然后把打磨好的样品清洗干净，在金相显微镜下观察并测量各组样品stub长度。

2 结果与讨论

2.1 仿真结果与分析

图5为仿真模型的插入损耗，随着stub长度增大，插入损耗也相应增大，当stub大于1378 μm时，信号损耗显著增大，并且在20 GHz以内即出现谐振点。过孔stub长度为237 μm、 2756 μm、3126 μm时，分别在12.5、13.5、16.5 GHz发生谐振。根据过孔模型可以建立如图6的等效电路，其中L表示过孔传输线路，C1、C2表示焊盘与参考地之间的形成的等效电容结构 ， C3表示stub。信号在过孔传输时，stub相当于一个微型天线。由于天线尺寸越小，工作频率（谐振频率）越高，所以stub变长，谐振频率会变小从而影响信号传输。

 

 

 

 

图5 仿真模型插入损耗

 

 

 

 

图6 等效电路图

2.2 测试板验证与分析

图7所示为金相显微镜中观察测量出8组样品的stub长度。由表1，可知stub实际的长度与预期的设计值有出入，这是由于加工设备精度以及板厚公差等因素所造成度误差。

表1 Stub长度对比表

 

 

 

 

图7 切片金相图

图8为测试板8组差分线在0到20 GHz的插入损耗对比图，可以看到stub越短插入损耗越小。（0~5）GHz插损受stub长度的影响相对较小，在信号频率为5 GHz时，各组样品之间插损最大相差0.046 dB/cm。5 GHz开始，stub较长的4组样品插损已经开始显著下降，并且stub为（1932、2359、2766、2934）μm的四组样品分别在16.4 GHz，13.9 GHz，11.8 GHz，10.8 GHz发生谐振。stub小于1442 μm的样品在（0~20）Ghz内并没由出现谐振点，stub = 1442 μm时插损在高频已开始经显著下降，说明谐振点已经非常接近20 GHz。Stub较短的三组样品在20 GHz的插损最大相差0.14 dB/cm。

 

 

 

 

图8 测试板插入损耗图

可以看出与实际测试板的插损曲线相比，插损变化的大体趋势一致，损耗均随stub变长而增加。但由于仿真模型为理想模型，线路、孔铜表面均为光滑，所以信号损失较小，对应的插损值也相应变小，stub较长的几个谐振点也随之后移。但是仿真结果仍可以指导PCB结构的设计优化。

在印制电路板设计中，回波损耗值越小则表明信号传输损耗越小。图9为测试板回波损耗，可以看出，回波损耗均大体表现出上升的趋势。Stub为（1932、2359、2766、2934） μm的样品分别在16.4 GHz，13.9 GHz，11.8 GHz，10.8 GHz频率下，回损出现转折点，可能与传输信号发生谐振有关。当频率增大到20 GHz时，Stub长度为141 μm样品的回波损耗值为19.49 dB，说明信号功率的衰减较小，有利于高频信号的传输。

 

 

 

 

图9 测试板回波损耗

3 结论

文章在对24层电路板背钻结构进行信号仿真然后制作测试板加以验证，对于信号频率较低（Frequency＜3 GHz）的电路板，stub长度对信号完整性影响相对较小，背钻精度要求也可降低同时能节约成本。然而信号传输频率较高时，较长的stub对应的谐振频率点较低，这会显著影响信号完整性。所以对于高频电路板不仅需要做背钻处理，而且对背钻精度要求较高。

作者：何知聪 王守绪 周国云 何 为 孙玉凯 陈德福 罗毓瑶 陈苑明 徐成刚 何雪梅

来源：2021春季国际PCB技术/信息论坛 产品检测与可靠性